TWI639251B - ｎｐｎ型氮化物半導體發光元件之製造方法及ｎｐｎ型氮化物半導體發光元件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種在具有電流狹窄區域A之npn型氮化物半導體發光元件中而可獲得良好之發光效率的npn型氮化物半導體發光元件之製造方法及npn型氮化物半導體發光元件，而在該電流狹窄區域A係使用有被埋入之穿隧接合層302。
在製造步驟的中途階段，進行被積層在穿隧接合層302之下層的p型GaN結晶層106之p型活化，而該製造步驟的中途階段係在利用n型GaN結晶層109將穿隧接合層302加以埋入之前，穿隧接合層302被部分地加以去除，且p型GaN結晶層106相對於環境氣體而呈現露出。在p型GaN結晶層106為呈現露出之製造步驟的中途階段，p型GaN結晶層106有效率地被加以p型活化，從而可獲得低電阻之p型GaN結晶層。
Description
本發明係關於一種氮化物半導體發光元件之製造方法及氮化物半導體發光元件，尤其是關於一種具有電流狹窄構造之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法及npn型氮化物半導體發光元件。
自習知以來，構成縱型之發光二極體或面發光雷射等之氮化物半導體發光元件具備電流狹窄構造。縱型氮化物半導體發光元件具有如下基本構造：於n型氮化物半導體層上依序積層活性層、p型氮化物半導體層及正側電極，且於n型氮化物半導體層形成負側電極。其為如下構成：將對應於電流自p型氮化物半導體向n型氮化物半導體流動而發出之光向積層之上方向取出。此處，於不具備電流狹窄構造之情形時，於p型氮化物半導體層中，電流以正側電極之正下方區域為中心流動。其原因在於，電流於自p型氮化物半導體至活性層之最短電流路徑上流動。以電流集中之正側電極之正下方區域為中心於活性層發出之光被正側電極遮擋或被正側電極吸收，從而釋出至縱型氮化物半導體發光元件之外部之光量減少。
因此，考慮以電流於活性層之到達位置集中於偏離電極之正下方區域之位置之方式在構造上使電流路徑彎曲之技術。將
此種構造稱作電流狹窄構造。例如，設為如下構成：將正側電極形成為環狀，使電流向環之內側變窄。活性層中之發光集中於環之內側，沿著環之中心軸釋出至外部。此時，光不受環狀之正側電極阻礙而通過環之內側釋出至外部。於該情形時，提出有如下構成：自正側電極朝向環之中心軸之電流路徑、及使環之中心軸及其周邊區域朝向活性層之電流路徑之任一者均設為低電阻。
作為一例，於非專利文獻1中，表示有具有埋入式穿隧接合之氮化物半導體發光二極體。穿隧接合係作為所謂之江崎二極體(Esaki Diode)等已知之具有負性電阻特性之穿隧二極體之接合。關於該穿隧接合，與通常之二極體表現之整流特性不同，可使電流自n層向p層呈反方向流動，其電流電壓特性為歐姆性。為了利用該反方向之歐姆特性，而於正側電極之環之內側，將正側電極側設為n型半導體層，將負側電極側設為p型半導體層，將穿隧接合配置於電流路徑。電流係集中於穿隧接合並藉由穿隧效應而流動。此時，藉由具備穿隧接合，而將正側電極之下層設為n型半導體層來代替p型半導體層，藉此，謀求自正側電極朝向環之中心軸之電流路徑之低電阻化。
且說，p型氮化物半導體之活化係藉由熱退火處理進行。一般而言，用作p型氮化物半導體之p型GaN結晶係藉由將例如Mg元素等設為受體雜質而構成。此處，於製造步驟中產生之氫元素具有易於被取入至結晶內並與Mg元素鍵結之特性。若Mg元素與氫元素鍵結，則存在如下情形：Mg元素惰性化，而不再作為受體發揮功能。其結果，有GaN結晶變得不表現p型，導電性消失而成為高電阻之虞。藉由進行熱退火處理，而切斷氫元素與
Mg元素之鍵結，使氫元素向結晶外部釋出。藉此，Mg元素作為受體被活化，從而可獲得具有導電性之p型GaN結晶。且用於表示熱退火處理係於製造步驟中，在形成發光二極體之元件構造之後且在形成電極之前的階段被加以進行。
非專利文獻1：S. R. Jeon, et al,、"GaN tunnel junction as a current aperture in a blue surface-emitting light-emitting diode"、Applied Physics Letter、(美國)、2002年1月14日、Vol. 80, Number 11, p.1933-1935
然而，非專利文獻1中所製作之發光二極體顯示，於注入2kA/cm2以上之電流時才勉強開始發光。確認到於注入2kA/cm2以下之電流時無法獲得有效之發光之現象。該現象教示：於電流狹窄區域以外之區域形成電流易於流動之區域，而漏電流於此處流動。此處，作為漏電流之原因之一，考慮熱退火處理之影響。由於在形成發光二極體之元件構造之後進行熱退火處理，故而p型氮化物半導體層之全面被活化。亦即，不僅於本來欲使電流變窄之環之內側之電流流經之區域，p型GaN結晶被活化，而且於不欲使環正下方及環之外側之電流流經之區域，p型GaN結晶亦被活化。藉此，於無穿隧接合之環正下方及環之外側之區域，p型GaN結晶亦具有導電性，而認為所注入之電流洩漏。
非專利文獻1等所記載之習知之製造方法中，於使用埋入式穿隧接合之電流狹窄構造中，有因電流狹窄區域以外之漏電流等存在於正側電極之內側之不向埋入式穿隧接合區域變窄之電流之存在，而導致發光效率降低之虞，成為問題。
本案所揭示之技術係鑒於上述問題而被提出者，其目的在於提供一種於具有使用埋入式穿隧接合之電流狹窄構造之npn型氮化物半導體發光元件中，可獲得良好之發光效率的npn型氮化物半導體發光元件之製造方法及npn型氮化物半導體發光元件。
本案所揭示之技術之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法係具有電流狹窄構造之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，該電流狹窄構造係將包含有第1n型氮化化合物層之埋入式穿隧接合層加以利用。本發明之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法係包括有如下之步驟：在p型氮化化合物層之上層，積層埋入式穿隧接合層之步驟；以將電流為呈狹窄而流經之區域加以殘留之方式將埋入式穿隧接合層加以去除之步驟；進行包含有埋入式穿隧接合層之正下方區域的p型氮化化合物層之p型活化之步驟；及積層n型氮化化合物層，且將埋入式穿隧接合層加以埋入之步驟。
於利用第2n型氮化化合物層將埋入式穿隧接合層埋入之前，進行積層於埋入式穿隧接合層之下層之p型氮化化合物層之p型活化。於該情形時，將包含埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化化合物層之整個區域p型活化。
此處，於埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化
化合物層、及埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層，用以進行p型活化之條件不同。於該製造階段，埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化化合物層之上層被包含第1n型氮化化合物層之埋入式穿隧接合層覆蓋，相對於此，埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層因埋入式穿隧接合層之去除步驟而具有對環境氣體露出之表面。因此，與前者相比，後者之p型活化較為容易，具體而言，於短時間內被p型活化。於p型活化之步驟中，埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層係以具有對環境氣體露出之表面之狀態進行p型活化。除了於埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之區域之p型活化以外，亦進行正下方區域內之p型活化，於p型氮化化合物層之整個區域進行p型活化。
進而，亦可設為在p型氮化化合物層之p型活化之步驟與埋入式穿隧接合層之埋入步驟之間，具有針對除埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層進行p型惰性化之步驟。
進而，亦可設為p型氮化化合物層之p型活化之步驟係包含有第1熱退火處理而被進行處理，p型氮化化合物層之p型惰性化之步驟係包含有第2熱退火處理而被進行處理。在該情形下，第1熱退火處理係相較於第2熱退火處理，而以包含有較高之處理溫度或者較長之處理時間中之至少任一條件之方式而被進行處理。
又，在p型活化之步驟之後所進行之埋入式穿隧接合層之埋入步驟亦可在於環境氣體或原料中存在有氫元素之狀態下
被加以進行。此處，於環境氣體或原料中所存在之氫元素係作為輸送原料氣體或原料之載氣而加以使用氫氣，藉此而被加以供給，或者作為原料氣體或原料之化學反應的結果而被生成而被加以供給。
又，本案所揭示之技術之npn型氮化物半導體發光元件為具有電流狹窄構造之npn型氮化物半導體發光元件。該npn型氮化物半導體發光元件係依序積層有活性層、p型氮化化合物層、及包含有第1n型氮化化合物層之埋入式穿隧接合層而成。埋入式穿隧接合層係積層在p型氮化化合物層之上層，形成電流為呈狹窄之電流路徑。p型氮化化合物層係在埋入式穿隧接合層之正下方區域的氫元素之含有濃度與在該區域以外之區域的含有濃度相比而為低濃度。
根據本案所揭示之技術之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，p型活化之步驟係於如下製造步驟之中途階段進行，該製造步驟係將埋入式穿隧接合層部分去除，而使p型氮化化合物層對環境氣體露出。由於p型氮化化合物層露出，故可高效率地進行p型活化。p型氮化化合物層被p型活化，而可高效率地獲得低電阻之p型氮化化合物層。
此處，所謂p型活化係於p型半導體結晶層中受體雜質活化之現象。藉此，p型半導體結晶層表現p型之導電性，且電阻變低。反之，所謂p型惰性化係於p型半導體結晶層中受體雜質惰性化之現象。藉此，p型半導體結晶層之導電性變低，電阻變高。
進而，藉由具有p型惰性化之步驟，除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層之區域被有效地p型
惰性化。此處，除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層之區域由於表面對環境氣體露出，故可容易地進行p型惰性化。相對於此，處於埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化化合物層由於被埋入式穿隧接合層覆蓋，故無法容易地進行p型惰性化。可將具有露出表面之p型氮化化合物層之區域優先地p型惰性化。藉此，埋入式穿隧接合層之正下方區域維持為經p型活化之狀態，且作為低電阻之區域而維持。另一方面，除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之區域被p型惰性化，而設為高電阻之區域。可將埋入式穿隧接合層之正下方區域選擇性地設為低電阻區域，將其他區域設為高電阻區域。可抑制除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之區域內之漏電流，使電流集中於埋入式穿隧接合層之正下方區域，而有效地使電流變窄。
此處，於熱退火處理中，處理溫度越高，處理時間越長，或越是包含該兩者之條件，則越能於位於距露出表面較遠距離之p型氮化化合物層內進行p型活化/惰性化。藉由包含更高之處理溫度、更長之處理時間中之至少任一條件進行p型活化之步驟，可使包含埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化化合物層之全面p型活化。另一方面，藉由包含更低之處理溫度、更短之處理時間中之至少任一條件進行p型惰性化之步驟，可於除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之具有露出表面之p型氮化化合物層進行p型惰性化。
例如，此處，所謂p型活化之狀態係藉由氫元素自結晶脫離而使存在於結晶中之氫元素變少，從而受體雜質活化之狀態。又，所謂p型惰性化之狀態係藉由氫元素被取入至結晶而於結
晶中存在氫元素，從而受體雜質未活化之狀態。由於在埋入式穿隧接合層包含第1n型氮化化合物層，故而位於埋入式穿隧接合層之正下方區域之p型氮化化合物層阻止氫元素之導入。藉此，無法容易地進行p型惰性化。相對於此，埋入式穿隧接合層之除了正下方區域以外之區域於表面露出有p型氮化化合物層，而阻止氫元素之導入之n型氮化化合物層未介存於該區域。因此，可使該區域優先地p型惰性化。
又，於p型活化之步驟之後進行之埋入步驟於在環境氣體或原料中存在氫元素之狀態下進行，藉此，可於埋入成長開始之前之時間，將氫元素注入至p型氮化化合物層之露出表面。此處，所謂埋入成長開始之前之時間係將環境溫度變更為埋入成長之設定溫度之時間、置換環境氣體之時間、原料氣體或原料流等穩定之前之時間等在成長反應開始之前的準備時間。已知結晶內氫元素越少，p型活化越推進，氫元素越多，p型惰性化越推進。於埋入步驟中，在環境氣體中存在氫元素，藉此，氫元素被取入至結晶中而進行p型惰性化。
又，根據本案所揭示之技術之npn型氮化物半導體發光元件，關於p型氮化化合物層具有之電阻，於在埋入式穿隧接合層之正下方區域與除了正下方區域以外之區域進行比較之情形時，於前者為更低電阻，於後者為更高電阻。可於除了埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之p型氮化化合物層中抑制漏電流，並且於埋入式穿隧接合層之區域內高效率地構成電流狹窄構造。
1、2、3‧‧‧箭頭
10‧‧‧正側電極
11‧‧‧負側電極
100‧‧‧GaN結晶基板
101‧‧‧未摻雜GaN結晶層
102‧‧‧下部n型GaN結晶層
103‧‧‧GaInN結晶層
104、502‧‧‧GaN結晶層
105‧‧‧p型AlGaN結晶層
106‧‧‧p型GaN結晶層
106a‧‧‧活性p型GaN結晶層
106b‧‧‧惰性p型GaN結晶層
107‧‧‧高濃度p型GaInN結晶層
108‧‧‧高濃度n型GaN結晶層
109、504‧‧‧n型GaN結晶層
301‧‧‧量子井活性層
302‧‧‧穿隧接合層
501‧‧‧AlInN結晶層
503‧‧‧氮化物半導體多層膜反射鏡層
505‧‧‧SiO2膜
506‧‧‧SiO2層
507‧‧‧ZrO2層
508‧‧‧介電質多層膜反射鏡層
A‧‧‧電流狹窄區域
圖1係表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之製造步驟之第1階段中之剖面構造的圖。
圖2係表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之製造步驟之第2階段中之剖面構造的圖。
圖3係表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之製造步驟之第3階段中之剖面構造的圖。
圖4係表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之製造步驟之第4階段中之剖面構造的圖。
圖5係表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之剖面構造之圖。
圖6係第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之電流-光輸出特性。
圖7係第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之近場圖形之數值資料。(a)係發光區域之台面直徑為10μm之情形，(b)係15μm之情形，(c)係20μm之情形。
圖8係表示第2實施形態之剖面構造之圖。
於第1實施形態中，對具有埋入式穿隧接合之氮化物半導體發光二極體進行說明。首先，對製造步驟進行說明。圖1~圖4中表示製造步驟之各階段中之剖面構造。具有於GaN結晶基板100積層各氮化物半導體層而成之構造。GaN結晶基板100係於藍寶石基板上介隔低溫堆積緩衝層而成膜GaN結晶層而成之基板。又，於向GaN結晶基板100上成膜各氮化物半導體層時使用有機金屬氣相成長(以下簡稱為MOCVD(Metal Organic Chemical
Vapor Deposition，有機金屬化學氣相沈積))法。
首先，對圖1所示之製造步驟之第1階段中之剖面構造進行說明。將表面被設為Ga面之GaN結晶基板100設置於MOCVD裝置之反應爐內。其後，於反應爐內一面使氫氣與氨氣流動一面升溫，藉此，進行將GaN結晶基板100之表面淨化之熱清洗。其次，於將基板溫度升溫至例如1050℃等之類的高溫後，將作為原料之TMGa(三甲基鎵)及氨氣與作為載氣之氫氣一同供給至反應爐內，而於GaN結晶基板100上成長例如約2μm之沿+c軸配向之未摻雜雜質之未摻雜GaN結晶層101。其次，追加SiH4(矽烷)氣體作為原料氣體供給至反應爐內，而於未摻雜GaN結晶層101上，使下部n型GaN結晶層102成長例如約2μm。此處，SiH4氣體係用以將Si元素作為n型雜質之原料氣體。雜質濃度設為例如約5×1018cm-3。
其次，一面將成長溫度降溫至780℃，一面將載氣由氫氣更換為氮氣，於基板溫度穩定後，將作為原料之TMGa、TMIn(三甲基銦)、及氨氣供給至反應爐內，於下部n型GaN結晶層102上成長例如約2.5nm之GaInN結晶層103。繼而，將原料氣體設為TMGa氣體及氨氣而供給至反應爐內，而於GaInN結晶層103上成長例如約10nm之GaN結晶層104。之後，交替地重複GaInN結晶層103之成膜與GaN結晶層104之成膜，將GaInN結晶層103及GaN結晶層104設為1對，而成膜5對。此為量子井活性層301。
其次，將原料設為TMAl(三甲基鋁)、TMGa、CP2Mg(環戊二烯基鎂)、及氨氣供給至反應爐內，而於量子井活性層301上
成長例如約20nm之p型AlGaN結晶層105。此處，CP2Mg係用以將Mg元素作為p型雜質之原料。雜質濃度設為例如約2×1019cm-3。
其次，一面將成長溫度升溫至1000℃，一面將載氣由氮氣更換為氫氣，其後，將原料設為TMGa、CP2Mg、及氨氣供給至反應爐內，而於p型AlGaN結晶層105上成長例如約60nm之p型GaN結晶層106。作為p型雜質之Mg元素之雜質濃度設為例如約2×1019cm-3。
其次，一面將成長溫度降溫至760℃，一面將載氣由氫氣更換為氮氣，於基板溫度穩定後，將原料設為TMGa、TMIn、CP2Mg、及氨氣供給至反應爐內，而於p型GaN結晶層106上成長例如約3nm之高濃度p型GaInN結晶層107。作為p型雜質之Mg元素之雜質濃度較佳為例如5×1019cm-3~1×1021cm-3左右，進而較佳為約1×1020cm-3~3×1020cm-3左右。
其次，將原料氣體設為TMGa氣體、SiH4氣體、及氨氣供給至反應爐內，而於高濃度p型GaInN結晶層107上成長例如約7.5nm之高濃度n型GaN結晶層108(第1n型氮化化合物層)。作為n型雜質之Si元素之雜質濃度較佳為例如1×1020cm-3~1×1021cm-3左右，進而較佳為約3×1020cm-3~6×1020cm-3左右。
由高濃度p型GaInN結晶層107與高濃度n型GaN結晶層108形成穿隧接合層302。於以下說明中，存在將圖1中所示之積層構造稱作晶圓之情形。
此處，穿隧接合層302為表現如所謂之江崎二極體之特性之pn接合。即，於該pn接合之反方向，顯示出由於反向偏壓為較小之電壓值故而呈低電阻狀態使電流流動之低電阻元件般之
特性。於氮化物半導體發光二極體中，以於具備穿隧接合層302之區域形成低電阻區域，並且於其以外之區域表現通常之pn接合之整流特性之方式，於反向偏壓下將電流封閉。
其次，對圖2所示之製造步驟之第2階段中之剖面構造進行說明。一旦結束成膜，則將晶圓自反應爐中取出。利用光微影技術與乾式蝕刻技術等，留存使注入電流變窄且成為發光區域之俯視下為圓形之區域(以下稱為電流狹窄區域)A，於其外側之區域進行蝕刻直至p型GaN結晶層106之表面露出。於第1實施形態中，將電流狹窄區域A之直徑設為10μm、15μm、20μm之3種，並製作樣本。蝕刻之深度為50nm左右。藉此，形成電流狹窄區域A。
其後，對晶圓進行2階段之熱退火處理。最初進行之第1熱退火處理係使用例如氧氣作為環境氣體，以退火溫度725℃、退火時間為15分鐘之條件進行處理。繼第1熱退火處理之後進行之第2熱退火處理係使用例如氨氣作為環境氣體，以退火溫度700℃、退火時間3分鐘之條件進行處理。
此處，p型GaN結晶層106之成膜中，使用氫氣作為載氣，使作為原料之TMGa、CP2Mg、及氨氣發生反應而進行成膜。又，將Mg元素設為p型雜質。於成膜之過程中，存在作為載氣之氫氣分解，或/及藉由原料氣體之反應而生成氫元素之情形，所生成之氫氣之一部分被取入至結晶內。Mg元素具有於結晶內易於與氫元素鍵結之性質，被取入至結晶內之氫元素與Mg元素鍵結。已知與Mg元素鍵結之氫元素阻礙Mg元素作為受體雜質發揮功能，而達到p型惰性化之作用。已知氫元素會導致產生Mg元素之p型惰
性化，由此，結晶變得無法發揮p型之導電性而高電阻化。如以下所說明般，藉由第1及第2熱退火處理而形成無漏電流之有效之電流狹窄構造。
首先，就第1熱退火處理進行說明。藉由第1熱退火處理，自p型GaN結晶層106之整個區域，使與作為p型GaN結晶層106之受體之Mg元素鍵結之氫元素自Mg元素分離並脫離至外部。藉此，氫元素所鍵結之Mg元素之比率變小，大量之Mg元素活化。於p型GaN結晶層106之整個區域，受體被活化，伴隨著Mg元素之離子化而具有p型之導電性。於該時點，p型GaN結晶層106之整個區域成為低電阻。
於該情形時，於p型GaN結晶層106中之電流狹窄區域A以外之區域，表面相對於環境氣體而露出，氫元素可容易地自該較廣之露出表面脫離。其原因在於：認為藉由前階段之成膜而取入之氫元素存在於距露出表面例如0.1μm左右之較淺區域。
另一方面，於p型GaN結晶層106中之存在於電流狹窄區域A之區域之部分，於其上層有穿隧接合層302，且積層有高濃度n型GaN結晶層108。此處，一般而言，已知氫元素無法於n型半導體中移動。因此，存在於p型GaN結晶層106及高濃度p型GaInN結晶層107內且使受體惰性化之氫元素無法越過高濃度n型GaN結晶層108自表面脫離。另一方面，p型GaN結晶層106及高濃度p型GaInN結晶層107因用以形成電流狹窄區域A之蝕刻，其蝕刻側壁露出。因此，存在於電流狹窄區域A之氫並非沿基板垂直方向，而是沿基板水平方向移動至電流狹窄區域A之外側後，自蝕刻側壁釋出至外部。
此處，電流狹窄區域A之直徑為10~20μm左右，與露出表面下之0.1μm左右之深度相比，必須移動長距離。第1熱退火處理之處理條件(退火溫度725℃、退火時間15分鐘)對於處於電流狹窄區域A以外之區域之氫元素自不必言，而對於使處於電流狹窄區域A之區域之氫元素釋出至外部而言亦為充分之條件。
於第2熱退火處理中，反之，將氫元素自外部取入至p型GaN結晶層106。氫元素自p型GaN結晶層106中之位於電流狹窄區域A以外之區域之露出表面被取入。第2熱退火處理之處理條件(退火溫度700℃、退火時間3分鐘)與第1熱退火處理之處理條件(退火溫度725℃、退火時間15分鐘)相比，退火溫度較低且退火時間亦為短時間。藉此，自p型GaN結晶層106之露出表面取入之氫元素於結晶內之移動距離較第1退火處理變短。由於為緩和之退火條件，故雖自露出表面取入氫元素，但自蝕刻側壁取入之氫元素不會於p型GaN結晶層106等內沿水平方向侵入而擴展至電流狹窄區域A之區域內。即，可僅對露出表面下之區域選擇性地注入氫元素。藉此，氫元素被取入至結晶中，與Mg元素鍵結之比率變大，而阻礙大量Mg元素之活化。於具有露出表面之p型GaN結晶層106中，受體被惰性化，而抑制p型之導電性。
因此，氫元素係選擇性地取入至電流狹窄區域A以外之區域，於電流狹窄區域A之區域內，維持為氫元素脫離之狀態。藉此，於p型GaN結晶層106形成2個區域。一個為電流狹窄區域A之區域。於該區域，Mg元素不與氫元素鍵結而作為受體被活化，形成電阻值較低之活性p型GaN結晶層106a(參照圖3)。另一個為電流狹窄區域A以外之區域。於該區域，氫元素自露出表
面被取入且與Mg元素鍵結。Mg元素作為受體被惰性化，形成電阻值較高之惰性p型GaN結晶層106b(參照圖3)。
其結果，p型GaN結晶層106係於電流狹窄區域A成為具有導電性之活性p型GaN結晶層106a，而於其以外之區域成為導電性較低之惰性p型GaN結晶層106b。可設為如下構造，即，使注入電流高效率地集中於電流狹窄區域A，且抑制其他區域內之漏電流。
其後，如製造步驟之第3階段中之剖面構造(圖3)所示，將原料氣體設為SiH4氣體、TMGa氣體、及氨氣供給至反應爐內，使n型GaN結晶層109成長例如約100nm。雜質濃度設為例如約5×1018cm-3。藉此，利用n型GaN結晶層109(第2n型氮化化合物層)將穿隧接合層302埋入。
其次，如製造步驟之第4階段中之剖面構造(圖4)所示，自反應爐中取出晶圓，利用光微影技術與乾式蝕刻技術等，進行蝕刻直至下部n型GaN結晶層102露出為止，而形成以電流狹窄區域A為中心之台面直徑為約100μm之台面形狀。
其次，形成正側電極10及負側電極11。電極材料係使用Ti(鈦)、Al(鋁)、Au(金)等，依序積層Ti、Al、Ti及Au而形成。正側電極10係於n型GaN結晶層109上形成為於內側下方包含電流狹窄區域A之環狀。負側電極11係以包圍台面形狀之方式形成於藉由蝕刻而露出之下部n型GaN結晶層102上。n型GaN結晶層109構成將來自正側電極10之電流引導至電流狹窄區域A之導通路徑。
其次，對藉由第1實施形態之製造步驟而製造之氮化
物半導體發光二極體中之電流狹窄構造之功能及效果進行說明。圖5表示氮化物半導體發光二極體之剖面構造。對與圖1~圖4相同之層標註相同符號，省略此處之說明。下部n型GaN結晶層102為披覆層。以可向量子井活性層301供給電子之方式具有較量子井活性層301大之帶隙而構成。量子井活性層301具有將作為井層之GaInN結晶層103及作為障壁層之GaN結晶層104交替地積層而成之構造。p型AlGaN結晶層105及p型GaN結晶層106為披覆層。以可向量子井活性層301供給電洞之方式具有較量子井活性層301大之帶隙而構成。
藉由形成圖1~圖4中所說明之包含電流狹窄區域A之電流狹窄構造，自正側電極10注入之電流，流至正側電極10之正下方及其外側之區域之漏電流(箭頭3)被有效地抑制，隨著於n型GaN結晶層109向下方流動，而向環之內側彎曲，從而變窄為電流狹窄區域A(箭頭1)。其原因在於：於正側電極10之正下方及其外側之區域，藉由惰性p型GaN結晶層106b與n型GaN結晶層109，pn接合被施加為反向偏壓，沿反方向流動之漏電流為少量，相對於此，於正側電極10之環之內側，藉由穿隧接合層302，即便pn接合為反向偏壓，亦成為低電阻之狀態，處於電流流動之狀態。進而，其原因在於：前者中，正下方之惰性p型GaN結晶層106b為高電阻，相對於此，後者中，正下方之活性p型GaN結晶層106a為低電阻。藉此，於位於環之內側之量子井活性層301電流變窄，於該區域集中地進行發光。發出之光不會被正側電極10阻礙，而於正側電極10之環之內側釋出至外部(箭頭2)。藉此，可高效率地取出光。
於該情形時，自正側電極10至電流狹窄區域A路徑彎曲之電流路徑一般而言為連接於正側電極10之結晶層，且為p型。然而，藉由具備穿隧接合層302，可設為n型GaN結晶層109。與p型GaN結晶層相比，若為n型GaN結晶層109，則可將電阻值降低至1/100左右，從而可抑制該電流路徑中之電阻值。
藉此，可將注入之電流中之不供於發光之電流抑制為最小限度，並有效地流至電流狹窄區域A，從而可獲得良好之發光效率。
圖6、圖7表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之發光特性。圖6係發光區域之台面直徑為10μm之情形時之電流-光輸出特性。橫軸為電流密度，縱軸為光輸出。以實線表示第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之特性。作為參考，以虛線表示習知技術之氮化物半導體發光二極體之特性。習知技術之氮化物半導體發光二極體表示於電流密度較低之區域，幾乎無法獲得光輸出。相對於此，第1實施形態之氮化物半導體發光二極體自電流密度較低之區域便可獲得良好之光輸出。又，表示即使於電流密度之整個區域，第1實施形態之氮化物半導體發光二極體之特性均勝於習知技術之氮化物半導體發光二極體之特性，與習知技術相比具有經改善之發光效率。
於圖7中，針對將發光區域之台面直徑設為10μm、15μm、20μm之氮化物半導體發光二極體之樣本，表示近場圖形之數值資料。橫軸為距台面形狀之中心之位置，縱軸為光輸出。可知以與台面直徑之大小大致相同之直徑有效地發光。
於第2實施形態中，一面使用第1實施形態之製造步
驟，一面對具備氮化物半導體多層膜反射鏡之面發光雷射進行例示。於圖8中表示面發光雷射之剖面構造。以下，就製造步驟進行說明。首先，與第1實施形態之氮化物半導體發光二極體(圖1~圖4)之情形同樣地，於GaN結晶基板100上，依序積層未摻雜GaN結晶層101、及下部n型GaN結晶層102。
其次，於下部n型GaN結晶層102上，積層氮化物半導體多層膜反射鏡層503。該氮化物半導體多層膜反射鏡層503為以約410nm為反射中心波長之氮化物半導體多層膜反射鏡層。將基板溫度即成長溫度設為815℃，將作為原料之氨氣、TMAl、及TMIn與作為載氣之氮氣一同供給至反應爐內。藉此，於下部n型GaN結晶層102上積層AlInN結晶層501。此時，AlInN結晶層501中之In元素之莫耳分率為18%左右。該AlInN結晶層501之膜厚為約50nm。即，進行相對於反射中心波長410nm之1/4波長光學膜厚之成長。其次，將基板溫度維持為815℃不變，將TMGa供給至反應爐內，藉此，於AlInN結晶層501上積層約10nm之GaN結晶層。其後，暫時中止TMGa氣體之供給，而中斷結晶成長。其後，將基板溫度升溫至1050℃，再次供給TMGa，使GaN結晶層成長約30nm。藉此，積層具有相對於反射中心波長410nm之1/4波長光學膜厚之GaN結晶層502。使該AlInN結晶層501與GaN結晶層502交替地積層40.5對，而於下部n型GaN結晶層102上形成氮化物半導體多層膜反射鏡層503。
於氮化物半導體多層膜反射鏡層503上，成長約1000nm之n型GaN結晶層504。n型雜質原料氣體係使用SiH4(矽烷)氣體。於n型GaN結晶層504中，以1×1019cm-3左右之濃度摻雜
作為n型雜質之Si元素。其後，於n型GaN結晶層504上形成量子井活性層301。量子井活性層301係藉由與第1實施形態之氮化物半導體發光二極體(圖1~圖4)相同之製造步驟積層。然而，各層之膜厚及積層對數設為與第1實施形態不同之構成。例如，將約3nm之GaInN結晶層103與約6nm之GaN結晶層104設為1對，並積層2.5對。又，將In元素之莫耳分率設為約0.10。藉此，以405~410nm之波長發光。
於量子井活性層301上，與第1實施形態之氮化物半導體發光二極體(圖1~圖4)同樣地，依序積層p型AlGaN結晶層105、p型GaN結晶層106、及構成穿隧接合層302之高濃度p型GaInN結晶層107及高濃度n型GaN結晶層108。
又，關於如下步驟，亦與第1實施形態相同，該步驟係其後利用光微影技術與乾式蝕刻技術等，留存電流狹窄區域A，對其外側進行蝕刻直至p型GaN結晶層106露出為止之步驟；藉由2階段之熱退火處理，將p型GaN結晶層106設為位於電流狹窄區域A之區域之低電阻之活性p型GaN結晶層106a及位於電流狹窄區域A以外之區域之高電阻之惰性p型GaN結晶層106b之2個區域之步驟；及利用n型GaN結晶層109將該等構造埋入之步驟。
其次，如下所示般形成用以進行電流注入之正側、負側電極。首先，藉由周知之光微影及乾式蝕刻製程形成以電流狹窄區域A為中心之直徑50μm左右之台面(未圖示)。此時，對於台面以外之部分，進行乾式蝕刻直至n型GaN結晶層504之表面露出為止。繼而，藉由蒸鍍或濺鍍於晶圓之整個面堆積約20nm之SiO2
膜505。此時，藉由剝離，於台面上以包圍電流狹窄區域A之方式使SiO2膜505開口，而形成環狀之開口部(未圖示)。又，於台面之外周部之n型GaN結晶層504上，使SiO2膜505開口，而形成環狀之開口部(未圖示)。於各個開口部形成正側電極、負側電極。
最後，於正側電極上積層以約410nm為反射中心波長之8對SiO2層506/ZrO2層507之介電質多層膜反射鏡層508。藉由以上，製作以405至410nm之波長發光之藍紫色氮化物半導體面發光雷射。
此處，穿隧接合層302為埋入式穿隧接合層之一例。p型GaN結晶層106為p型氮化化合物層之一例。使與作為p型GaN結晶層106之受體之Mg元素鍵結之氫元素自Mg元素分離，脫離至外部，而使Mg元素作為受體發揮功能之情況為p型活化之一例。又，將氫元素自外部取入至p型GaN結晶層106，並使其與Mg元素鍵結，而阻礙Mg元素作為受體雜質發揮功能之情況為p型惰性化之一例。n型GaN結晶層109為n型氮化化合物層之一例。
如以上詳細地說明般，根據本案所揭示之技術之第1實施形態，於藉由n型GaN結晶層109埋入穿隧接合層302之步驟之前，進行第1及第2熱退火處理。藉由在部分性去除穿隧接合層302而使p型GaN結晶層106相對於環境氣體露出之製造步驟之中途階段進行之2階段之熱退火處理，控制結晶中之氫元素之存在比率之高低，且控制p型GaN結晶層106之活化及惰性化。藉此，p型GaN結晶層106於穿隧接合層302之正下方區域被活化而成為低電阻之活性p型GaN結晶層106a，於其以外之區域被惰性化而成為高電阻之惰性p型GaN結晶層106b。可將p型GaN結晶
層106分離為活性p型GaN結晶層106a與惰性p型GaN結晶層106b之2個區域。可一面抑制於電流狹窄區域A以外之漏電流，一面高效率地使電流變窄為電流狹窄區域A。
又，於第2實施形態之面發光雷射之製造步驟中，與第1實施形態之情形同樣地，於製造步驟之中途階段進行2階段之熱退火處理。藉此，關於發光時所注入之電流，可抑制於電流狹窄區域A以外之漏電流，且高效率地使電流流至電流狹窄區域A。可製作具有良好發光效率之藍紫色面發光雷射。
再者，本案所揭示之技術並不限定於上述實施形態，當然可於不脫離主旨之範圍內進行各種改良、變更。
例如，於本實施形態中，例示如下情形進行了說明：為了將p型GaN結晶層106分離為低電阻之活性p型GaN結晶層106a與高電阻之惰性p型GaN結晶層106b，藉由進行第1熱退火處理與第2熱退火處理之2階段之熱退火處理而實現。
然而，本案並不限定於此。亦可使熱退火處理後之製造步驟即n型GaN結晶層109之成膜代替第2熱退火處理。n型GaN結晶層109之成膜係將原料設為SiH4氣體、TMGa、及氨氣而進行。因此，存在藉由原料之化學反應而於環境氣體中生成氫元素之情形。又，藉由使用氫氣作為用以輸送原料之載氣，亦可於環境氣體中生成氫元素。藉由在此種氫元素之存在下進行n型GaN結晶層109之成膜，可於等待溫度或氣體流穩定之成膜之前階段或成膜之初期階段，以於p型GaN結晶層106之露出表面充分地取入氫元素之方式調整成膜之條件。藉此，熱退火處理藉由進行第1熱退火處理之1階段之處理便足夠，從而可謀求製造步驟之簡化。
又，於第1實施形態中，作為GaN結晶基板100，對在藍寶石基板上介隔低溫堆積緩衝層而成膜GaN結晶層之情形進行了說明，但本案並不限定於此。亦可使用GaN結晶之自支撐基板、或於SiC上使GaN結晶成膜而成之基板、或於ZnO上使GaN結晶成膜而成之基板、AlN基板等。
又，作為構成各層之氮化物半導體結晶層，除GaN結晶層以外，還例示GaInN、AlGaN、GaInN、AlInN等三元混晶結晶層進行了說明，但本案並不限定於此。亦可為除此以外之多元混晶，亦可為例如AlGaInN結晶層、AlInBN結晶層等四元混晶或AlGaInBN結晶層等五元混晶。
又，對利用MOCVD法使氮化物半導體多元混晶成膜之情形進行了說明，但本案並不限定於此。例如，亦可利用HVPE(氫化物氣相成長)法、MBE(分子束磊晶)法、濺鍍法等成膜。
又，於本案中，作為應用，於第2實施形態中例示藍紫色面發光雷射進行了說明，但本案並不限定於此。例如，亦可應用於其他發光裝置或使用GaN/AlInN異質接合構造之HEMT(高電子遷移率電晶體)等其他電子裝置。
又，對使用TMAl或TMIn作為III族元素之原料氣體之情形進行了說明，但本案並不限定於此。例如，亦可使用TEAl(三乙基鋁)或TEIn(三乙基銦)等。
又，對使用氨作為N元素之原料氣體進行成膜之情形進行了說明，但本案並不限定於此。亦可使用氮氣或其他氮化合物。
又，於本案中，例示使用Mg元素作為受體雜質之情形進行了說明，但本案並不限定於此。亦可使用Zn、Be、Ca、Sr、及Ba等
元素。又，例示使用Si元素作為供體雜質之情形進行了說明，但本案並不限定於此。亦可使用Ge等元素。
又，對在未摻雜之GaN結晶層101上積層下部n型GaN結晶層102而作為GaN結晶之情形進行了說明，但本案並不限定於此。例如，亦考慮設為不積層下部n型GaN結晶層102之構成。
又，使氮化物半導體多元混晶沿+c軸方向配向而成膜，但並不限定於此，亦可沿a軸方向或m軸方向等其他結晶軸配向而成膜。
又，關於本案之技術之各氮化物半導體結晶層之成膜，成長溫度或其他成長條件、或各結晶層之成長膜厚、積層數、積層對數等並不限定於本實施形態，當然可進行各種變更。
Claims (5)
- 一種npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，其係具有電流狹窄構造之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，該電流狹窄構造係將包含有第1n型氮化化合物層之埋入式穿隧接合層加以利用，該製造方法之特徵在於包括有如下之步驟：在p型氮化化合物層之上層，積層上述埋入式穿隧接合層之步驟；以將電流為呈狹窄而流經之區域加以殘留之方式將上述埋入式穿隧接合層加以去除之步驟；進行包含有上述埋入式穿隧接合層之正下方區域的上述p型氮化化合物層之p型活化之步驟；積層第2n型氮化化合物層，且將上述埋入式穿隧接合層加以埋入之步驟；及在上述p型氮化化合物層之p型活化之步驟與上述埋入式穿隧接合層之埋入步驟之間，具有針對除上述埋入式穿隧接合層之正下方區域以外之上述p型氮化化合物層進行p型惰性化之步驟。
- 如申請專利範圍第1項之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，上述p型氮化化合物層之p型活化之步驟係包含有第1熱退火處理，上述p型氮化化合物層之p型惰性化之步驟係包含有第2熱退火處理，上述第1熱退火處理係相較於上述第2熱退火處理，以較高之處理溫度或/及較長之處理時間之條件來加以進行。
- 如申請專利範圍第1項之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，在上述埋入式穿隧接合層之埋入步驟中，於環境氣體或原料中存在有氫元素。
- 如申請專利範圍第3項之npn型氮化物半導體發光元件之製造方法，其中，上述環境氣體中之氫元素係藉由以下之情況而被加以供給：作為輸送原料之載氣而加以使用氫氣，或者在上述原料之化學反應中所被加以生成。
- 一種npn型氮化物半導體發光元件，其係具有電流狹窄構造者，其特徵在於包括有：活性層；p型氮化化合物層，其積層在上述活性層之上層；埋入式穿隧接合層，其積層在上述p型氮化化合物層之上層，且包含有將電流為呈狹窄之電流路徑加以形成的第1n型氮化化合物層；及第2n型氮化化合物層，其將上述埋入式穿隧接合層加以埋入；且上述p型氮化化合物層係在上述埋入式穿隧接合層之正下方區域的氫元素之含有濃度與在該區域以外之區域的含有濃度相比而為低濃度。
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